伺服運動控制分解

1、1.課程設(shè)計內(nèi)容和任務要求1.1 設(shè)計內(nèi)容（1） 正確編寫 PLC 程序，能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機的跟隨控制（2） 用人界面監(jiān)控實現(xiàn)伺服電機正反轉(zhuǎn)的控制1.2 任務要求（1） 熟悉課程設(shè)計內(nèi)容，收集資料，詳細閱讀各設(shè)備說明書；（2） 總體設(shè)計，正確選定系統(tǒng)方案，認真畫出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；（3） 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計；（4） 繪制系統(tǒng)硬件原理圖（接線圖）；（5） 編寫系統(tǒng)控制程序；（6） 設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控界面；（7） 完成系統(tǒng)測試，并整理編寫課程設(shè)計說明書2.課程設(shè)計涉及到的硬件設(shè)備2.1 臺達伺服驅(qū)動器（ASD-A0421-AB 的功能介紹本次課程設(shè)計選用型號為 ASD-A0421-AB 勺伺服驅(qū)動器（額

2、定輸出功率為：400V；輸入電壓及相數(shù)：220V 單相；編碼器分辨率：1000ppr;支持 ECMA 電機 機種）。與驅(qū)動器配套的電機型號為ECMA-C30604ES額定電壓及轉(zhuǎn)速：220V/3000rpm；感應形式：2500ppr ;額定輸出功率：200W2.1.1 伺服驅(qū)動器的三種控制方式一般伺服有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(xiàn)。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控 制的，位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么樣的控制方式要根據(jù)控制 的需求，滿足何種運動功能來選擇。就伺服驅(qū)動器的響應速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運 算量最小，驅(qū)動器對控制信

3、號的響應最快；位置模式運算量最大，驅(qū)動器對控制 信號的響應最慢。（1） 轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為，例如10V 對應 5NM 的話，當外部模擬量設(shè)定為 5V 時電機軸輸出為 2.5NM,如果電機軸負載低于 2.5NM 時 電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于 2.5NM 時電機不轉(zhuǎn)，大于 2.5NM 時電機反轉(zhuǎn)（通常在有 重力負載的情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩 大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。（2） 速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置

4、的外環(huán) PID 控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電 機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速， 位置信號 就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。（3）位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn) 動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度， 也有些伺服可以通過通訊方 式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控 制，所以一般應用于定位裝置。應用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。本次課程 設(shè)

5、計就是通過設(shè)置 P1-00 為 02,采用（3）位置控制模式。2.1.2 伺服驅(qū)動器的周邊裝置接線圖對于圖 3 電源口 L1、L2 為控制回路電源輸入端，R、S、T 為主回路電源輸 入端，電源接線法分為單相 220V、單相 110V、三相 220V 三種接法，設(shè)計中采用 的是單相 220V,安裝時應該特別注意 R、S、T 與 L1、L2 電源口的接法是否正確， 如果選擇的接法錯誤，驅(qū)動器將會被燒壞。確認伺服電機的 U、V、W 是否會接錯, 接錯的話會出現(xiàn)不轉(zhuǎn)或者亂轉(zhuǎn)的情況。伺服驅(qū)動器的 CN2 口為伺服電機的編碼器輸出口， 編號 U V、W 口為伺服電 機動力線接口。CN1 口為伺服驅(qū)動器的控

6、制端口，它總共 50 針，包括輸入和輸 出端口還有其它的功能口，端口功能劃分如圖 4 所示。伺服驅(qū)動器的通訊端口為 CN3 口，CN3 口采用的是 1394 接頭，通過不同的連接方法實現(xiàn)伺服器的 RS232/422/485 通訊，可以方便與 PLC 電腦連接實現(xiàn)通訊監(jiān)控功能。2.1.3 伺服驅(qū)動器輸入口功能接線圖為了更有彈性與上位控制器互相溝通，臺達伺服驅(qū)動器提供可任意規(guī)劃的 8 組輸入及 5 組輸出?？刂破鞯妮斎肱c輸出口功能可以分別由參數(shù)P2-10 P2-17與參數(shù) P2-18 P2-22 進行設(shè)置。 由于 CN1 口為 50 引腳， 弓 I 腳數(shù)比較多如圖 4 所示，對于引腳的記憶應該功能

7、塊記憶，分功能記憶。脈沖輸入引腳PULSE/PULSE SIGN /SIGN、PULLHI，電源弓 I 腳 VDD COM+COM、VCC GND 注意 NC為空引腳，為內(nèi)部電路使用，勿連接。24.2詁乂I心AJ vg 1匸曲E冃胡ghn|MC I I GMD J匸呼 I DMDQDO2” | | Dg巨|DO 林0脫麗GPM； DI上OOH血2打CKB“ DQ4：! ICOMirE5in I COM IFU立IUSL M I ：3I!N 卜1一一l“ DIA 017 i MC I:4927: W ! V V w *vv W -V w， w w w ? w *W ! w W W * N V V

8、 k ! ! W ! W V W* w w信號接口電機編碼交流220V帶漏電保護斷路器PLC伺服驅(qū)動器RS485Modus通訊RS232通訊伺服電機圖 3 伺服驅(qū)動器的周邊接線圖圖 4 CN1 接線器（公）背面接線端o#hC NC GND 卜RE冃zcHC 5如D0 W Dl- DO列DO-5026.驅(qū)動器電源接通時，顯示器會先持續(xù)顯示監(jiān)控顯示符號約一秒鍬然后才進人監(jiān)控顯示(2)在監(jiān)控模式下若按下UP或DOWN4切換監(jiān)控參瓠此時監(jiān)控顯示符號會持續(xù)顯示約 一秒臥(3)蠱監(jiān)控欖式下苫按下MODE犍W進入?yún)?shù)欖式。 按下SHIFT犍吋町切換解級碼。UP/DOWN鍵可變更后二字符參救碼。(4在參數(shù)模式

9、下按HET犍，系城立即進入設(shè)定模式舟顯示器同時會顯示此參數(shù)對應的設(shè) 定饑此時呵利用UP/DOWN虢修改參數(shù)值或按下MODE鍵脫離設(shè)定根式并回到參數(shù)(5)在枚定欖式下町按下SHIFTifA|爍字冷左稅再利用UP/DOWN快速修正較髙的設(shè) 宦字符假設(shè)定值修正完畢后按下SET羸即耶舲滲數(shù)儲存或執(zhí)行命飢完觴數(shù)號后顯襦會顯示結(jié)束代碼在ND并自動回復到監(jiān)控模比CO- C uPS-S：p;p?C?：2.1.4 伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定流程00PROP3-3：P： -0pe-c：PH-Oiinn fl i叭 6 帥削粧P3-00PH-0I2.1.5 本次課程設(shè)計用到的伺服驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定如下表P

10、0-026P2-12114P2-160P1-002P2-13115P2-170P2-10101P2-14102P2-18101P2-11104P2-15102P2-191032.2 臺達變頻器（VFD015M21A-Z 的功能介紹臺達 VFD 系列的變頻器種類很多，設(shè)計中選用的是 M 系列的變頻器，其具有 體積小，噪音低，具有第一、第二頻率切換、睡眠和蘇醒功能，支持 MODBUS訊、8 段速和七段可程式運轉(zhuǎn)，內(nèi)置 PID 功能。型號為 VFD015M21A-Z 輸入電壓 為 220V。本次課程設(shè)計采用的是變頻調(diào)速，通過調(diào)節(jié)供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn) 對異步電機的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速

11、都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。變頻調(diào)速是異步電機的一種非常合理 和理想的調(diào)速方式。2.2.1 變頻器數(shù)字操作器（LC-2ME 操作說明信息顯示操作電源搜入貓示頻率設(shè)定畫面nnnuuuaauLKEGO；匚：卜丄|卜 1|AUN|iT|Pwb|Rv|按(0gMODE鍵S051*VFD-MA*何M用曲 SOo怙怙fRfOSET5&參數(shù)設(shè)定畫面VFD-MLC-W2E師悶両麗VFD-M_麗阿麗阿FREQSETI3 圧VFD-M童機運艇流電機觀方向V 按包）釁回頻輟定畫面註：若要以數(shù)字操作器設(shè)定頻率則參數(shù) P00 需設(shè)為 00按囚回鍵來證按住回鍵不放按住鍵不放頻率的設(shè)定

12、可在定欲便電機運轉(zhuǎn)時會以每秒3.5Hz時會以每秒3.5Hz停止中或運轉(zhuǎn)中的頻率的速率往下遞減的速率往上遞増均可設(shè)定LC4I2IIC刪LC-M2t.LCiE V鋤設(shè)定的操作器出參數(shù)內(nèi)耳 WWLKFfw修改參數(shù)tfidOIP 00nnuu|RU町麗麗按回鍵來選按叵來設(shè) 擇欲讀出或修改 定修改的參數(shù)內(nèi) 的參數(shù)號碼容値解設(shè)定的撫作頻率設(shè)定譽血設(shè)定頻率爲599HzGTAWYP址Ipsaof595約仏後證定値gO.OOHzOGlTALKEYPJJ)eosaaVFD-Mso鍵不放A輸入資料撫誤刖顯示*End-輸入資料有誤則IErr約Ms後設(shè)定値爲60.0HzF605tVFDMFREQ SET手鬆開ENTAL

13、CEYM)F60D VFD-MFREQ SET參數(shù)證定畫面|ffiJH|STCjFWE|REV|VFD-MRlart.M Frf!REM|肌叫博T綢呼可口cm睡*| 他N|SWl冋叫國田FMi|R冒VFD-MfflECSETffiEnSET資料確認無誤LOWE|盹叫|TBP|Fi剛參數(shù)設(shè)定畫面亞 Tp| 何rirTi自動恢復到參數(shù)設(shè)定畫面2.2.1 變頻器參數(shù)設(shè)定變頻器參數(shù)的設(shè)定參數(shù)設(shè)定值功能P 0000主頻率輸入由數(shù)字操作器控制P 0004主頻率由數(shù)字操作器上的V.R.控制P 0100運轉(zhuǎn)指令由數(shù)字操作器控制P 0101運轉(zhuǎn)指令由外部端子控制，鍵盤STOP 有效P 0102運轉(zhuǎn)指令由外部端子

14、控制，鍵盤STOP 無效P 3800M0 正轉(zhuǎn)/停止，M1:反轉(zhuǎn)/停止P 3801M0 運轉(zhuǎn)/停止，M1:反轉(zhuǎn)/正轉(zhuǎn)2.3臺達PLC功能介紹DVP-40EHOOT 系列為高速精密定位主機； 主機點數(shù)： 40,輸入 24 點輸出 16 點； 通訊端口 ：內(nèi)置 RS-232 與 RS-485,兼容 MODBUSASCII/RTU 訊協(xié)議； 高 速脈沖輸出： CHO(YQ Y1)、運轉(zhuǎn)的操作以60.0顯示實際運轉(zhuǎn)頻率顯示電機運轉(zhuǎn)電流電機運轉(zhuǎn)方向COTALKEYPADF6Q0訂 5EBE!l|ftvSo叫fAtSETI此蕊QSTOP|FHO亮燈FsoaAdNfWDSQ鼻鼻VFD-MI品10Sec&）H

15、6Q0H VFD-MFMQW心 WE棚按（HQM）鍵T|QsoAVFID-Ma按囚或國鍵A運轉(zhuǎn)方向爲反轉(zhuǎn)設(shè)定頻率芾面LCMfifil亮燈亮燈閃按IOCEJ電機減速便止停止狀態(tài)DlGTALKErPADF5Q0s(g按IfiESETj鍵ffllKSETLC-M2E9T0P RWVFD-M亮燈亮燈閃爍3TQP亮燈亮燈閃爍LC-M2-EfftfgETLC-M2EVFID-MwVFDMfl 161FOEaSTFREQ SETLC-M2EVFID-MClCiUKEvFAD*FREQSETLC-M2EVFD-MFitEQ SETVFD-MIC-M2EHUCH1(Y2 Y3)、CH2(Y4)、CH3(Y6);

16、本次設(shè)計用到輸 入 xO、x1 端子和輸出 y0、y1 端子來完成本次課設(shè)要求2.3.1 臺達 DVP-40EH PLC 勺配線DVP-EH 系列的 PLC 采用的交流 220V 供電，接于 PLC 的 L、N 端，但注意勿 將供電電源接于 PLC 的 24V 電源口和輸入口，否則會造成 PLC 的嚴重損壞。供電PLC 的 S/S 端非常重要，其為共享電源端，可以作為共享輸入或共享輸出口(與輸入口是一個雙向的發(fā)光二極管)，設(shè)計中采用的是共享輸入口，將 24V 接 于 S/S 端，如圖所示。DVP 系列的 PLC 輸出模式共有兩種， 繼電器(R)和晶體管(T),設(shè)計中要求 輸出頻率很高，選用的晶

17、體管輸出，晶體管輸出原理圖如圖2.3.2。EH2 系列的PLC 的晶體管輸出有普通的晶體管輸出還有高速晶體管輸出， 其中 CH0(Y0 Y1)、CH1(Y2 Y3)、CH2(Y4)、CH3(Y6)為高速晶體管輸出其輸出頻率可以達到 200KHZ, 其余的輸出點都為一般晶體管輸出口，其輸出頻率為10KHZ 晶體管輸出的 PLC與繼電器 PLC 的最大區(qū)別就是其輸出頻率不同，也就決定了其應用的不同。LOAD圖 2.3.2 晶體管輸出原理圖2.3.2 臺達 DVP-40EH PLC 俞入輸出口功能分配設(shè)計中用到的PLC的輸入輸出口并不是很多， PLC對編碼器的采集,編碼器 為增量型，其輸出為AB、Z

18、 三相，Z 相為零脈沖檢測線，主要用于電機轉(zhuǎn)動圈 數(shù)的計算，A 相為脈沖檢測的個數(shù)，B 相和 A 相配合使用可檢測出轉(zhuǎn)動的方向， 所以對于設(shè)計要求的異步電機的跟蹤，只需用到 A、B 相將其接于 PLC 的 XO X1 輸入口。伺服電機轉(zhuǎn)速與方向控制，采用的是正邏輯的脈沖加方向控制， PLC 輸出口 采用的是一組高速脈沖輸出口 CHO（X0 X1），X0 作為脈沖輸入口，X1 作為方向 控制（低電平為正轉(zhuǎn)，高電平為反轉(zhuǎn)）。233 PLC 與編碼器、伺服驅(qū)動器的連接PLC 相關(guān)硬件原理及設(shè)計要求的基本上了解之后，根據(jù)我們的控制要求，實 現(xiàn)伺服電機對異步電機速度的跟蹤， 并對伺服電機進行正反轉(zhuǎn)，調(diào)速

19、控制等，結(jié) 合伺服驅(qū)動器輸入/輸出和脈沖輸入的電路接法最終確定 PLC 與編碼器和伺服驅(qū) 動器的接線圖如圖 2.3.3所示。2.4旋轉(zhuǎn)編碼器編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。根據(jù)其刻度方法及 信號的輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。增量式編碼器是直接 利用光電轉(zhuǎn)換的原理輸出三組方波脈沖 A、B 和 Z 相；AB 兩組脈沖相位相差 90 度，Z 相為沒轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點的定位。它的優(yōu)點是原理結(jié)構(gòu)簡單，機械 平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力很強，可靠性很高，適于長距離傳輸。 其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對信息。 而絕對式采用了二進制（格雷碼）進行光 電轉(zhuǎn)換，其線數(shù)

20、越多，精度就越高，能得出軸轉(zhuǎn)動的絕對信息。設(shè)計中試驗臺配的是 AUTONICS 勺增量式編碼器 E40S6-100-3-2-24 , E40 系 列分辨率為 100ppr，供電電源 12-24VDC 輸出相數(shù)為AB Z 三相，控制輸出采 用的是 NPN 極電極開路輸出。2.4.1 轉(zhuǎn)速、方向的測量及計算方法根據(jù)增量式編碼器測速的原理，在單位時間內(nèi)采集到A、B 相脈沖的個數(shù)，通過上位機 PLC 的運算得出每分鐘的脈沖個數(shù)，根據(jù)編碼器的分辨率，就可以計 算出異步電機的轉(zhuǎn)速。例如設(shè)計中 PLC 在 1s 內(nèi)采集到 50000 個脈沖，PLC 通過 指令計算出 1分鐘的脈沖個數(shù)為 3000000 個，

21、編碼器的分辨率為 1000ppr，可以 計算出異步電機的轉(zhuǎn)速為 3000r/min。B 相方法測速時電機的轉(zhuǎn)向判斷是非常方便的，根據(jù) A、B 相的位置關(guān)系判 斷電機的轉(zhuǎn)向。設(shè)計中編碼器如果發(fā)出的脈沖 A 相在前，則電機正轉(zhuǎn)，反之電機 反轉(zhuǎn)。2.5人機界面觸摸屏人機界面（Huma Machi ne In teraction，簡稱 HMD，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。其最簡單的 應用為輸入/出、顯示，輸入指的是由人來進行機械或設(shè)備的操作，相當于開關(guān) 等，而輸出指的是由機械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等。設(shè)計中試驗臺使用一臺型號為 D

22、OP-A57BSTD 機種：臺達 A 系列；面板尺寸：5.7 吋顯示器；面板類型：8 色灰度藍白 STN 控制界面：觸控面板；電源：DC+24V 觸摸屏。觸摸屏的使用主要涉及到兩個方面，一是軟件編程，二是硬件的連接，硬件的連接是調(diào)試使用的前提。設(shè)計中對于硬件主要解決的是觸摸屏的程序下載接口 問題和其與 PLC 連接通訊問題。設(shè)計中臺達 PLC 具有一個 RS232 通訊口，所以觸摸屏與 PLC 的通訊采用普通的 RS232通訊線就可以了，不需要在制作相應的通訊線，非常方便。本次課程設(shè)計 人機界面監(jiān)控組態(tài)畫面見下圖設(shè)計主要主要完成的是伺服電機對異步電機的速度跟蹤，實現(xiàn)伺服電機的 正、反轉(zhuǎn)控制，能通過觸摸屏對伺服電機轉(zhuǎn)速、正、反轉(zhuǎn)進行控制，并對伺服電 機的轉(zhuǎn)速進行監(jiān)控，用于和異步電機的轉(zhuǎn)速進行比較， 實現(xiàn)跟蹤誤差的比較。設(shè) 計要求的控制原理框圖如圖3.1 所示。4.實驗結(jié)果及分析本次課程設(shè)計是根據(jù)控制要求實現(xiàn)伺